简述嵌入式系统的高速度大容量非易失随机数据存储

常见NVSRAM是8位的并行存储器件，可以随机读/写访问，存取访问速度为15~45 ns,容量可达4Mb,引脚接口兼容同类型的SRAM.NVSRAM器件体积小，占用PCB空间小，通常有SOIC和SSOP两种封装，5/3.3V电源供电，器件使用寿命在10年以上，片内的E2PROM可以保存数据100年。Cypress、Maxim等公司都有系列化的NVSRAM器件，典型的NVSRAM器件如CYl4E256L（32K×8位）、DSl350Y/AB（512K×8位）等。

2.5 铁电晶体随机存储器FRAM

铁电晶体随机存储器FRAM（Ferroelectric RAM）是Ramtron公司开发并推出的基于铁电晶体效应的高速非易失性存储器。铁电效应是指在铁电晶体上施加一定的电场时，晶体中心原子在电场的作用下运动，并达到一种稳定状态；移走电场，晶体中心原子仍会保持在原位置；铁电效应是铁电晶体所固有的一种与电磁作用无关的偏振极化特性。FRAM存储单元主要由电容和场效应管构成，由存储单元电容中铁电晶体的中心原子位置保存数据。

FRAM速度很快，可以随机读/写访问，写前不需要擦除操作，功耗极低（约为E2PROM的1/20），抗磁/电场干扰能力强。5 V器件的使用寿命是1014次，3.3 V器件几乎可以达到无限次，存储数据可以保持45~125年，其非易失性失效后还可以作为SRAM使用。读/写访问FRAM后，需要一个预充（precharge）过程恢复存储的数据位，读/写操作具有增加的预充电时间，这是FRAM所独有的。

主要的FRAM有8/16位的并行FRAM和I2C、SPI接口的串行FRAM.FRAM器件以FMxxx开头，其封装和引脚分布与同类SRAM、E2PROM器件兼容。I2CFRAM的速度可达1MHz,容量可达512 Kb.SPIFRAM的速度可达40 MHz,容量可达2 Mb.并行FRAM的速度可达55 ns,读/写周期为110 ns,容量可达4 Mb.使用并行FRAM,由于存在预充,读/写操作时要特别注意微处理器与存储器的时序的对应统一。典型的高速度大容量FRAM器件有16位并行FM22L16、8位并行FM20L08、FMM24C512、FM25H20等。

2.6 磁阻式随机存储器MRAM

磁阻性随机存储器MRAM（Magnetic-ResistiveRAM）基于GMR（Giant Magneto Resistive）薄膜技术，与硬盘驱动器原理相同，以磁性的方向为依据存储数据。其基本存储单元是磁隧道结（MTJ）结构，MTJ由固定磁层、薄绝缘隧道隔离层和自由磁层组成。向MTJ施加偏压时，被磁层极化的电子会通过一个称为穿遂（Tunneling）的过程，穿透绝缘隔离层；当自由层的磁矩与固定层平行时MTJ结构具有低电阻；而当自由层的磁矩方向与固定层反向平行时则具有高电阻，这就是电阻随磁性状态改变而变化的磁阻现象。相对于传统的电荷存储，磁阻存储有两个重要优点：磁场极性不会像电荷那样会随时间而泄漏，即使断电也能保持信息；两种状态之间转换磁场极性时不会发生电子和原子的实际移动，也就不会有所谓的失效机制。

常见MRAM器件是8位或16位的并行存储器件，存取速度为25~100ns,读操作速度快，写操作速度稍慢。MRAM器件封装体积小，符合RoHS标准，引脚兼容同类型的SRAM器件，最大容量可达4Mb,功耗低，通常以3.3/3 V电源工作，使用寿命都在10年以上，现代很多MRAM器件已经几乎没有了使用次数限制。飞思卡尔等公司推出有系列化的MRAM器件，典型器件如1Mb的MROAl6A、4 Mb的MR2A16A/AV等。

3 高速度大容量非易失随机数据存储纵观

各种高速度大容量非易失随机数据存储器性能对比如表1~表4所列。

从E2PROM、Flash、BBSRAM到NVSRAM、FRAM、MRAM,每种类型的存储器都有各自的优势和不足。传统的E2PROM、Flash、BBSRAM存储器件符合传统操作习惯，具有价格上的优势，在中低档嵌入式产品中还有广泛的应用。但是，E2PROM和Flash存储器件需要写前擦除，E2PROM和NOR Flash容量有限，NAND Flash还要页模式操作，BBSRAM体积庞大且不符合RoHS环保标准，这些缺陷决定了它们迟早要让位于现代的NVSRAM、FRAM、MRAM器件。

NVSRAM、FRAM、MRAM器件，在速度、容量、非易失性、随机操作、封装体积、功耗等性能方面具有很大优势，代表着现代高速度、大容量、非易失、随机数据存储器件的发展趋势。NVSRAM速度优势最强，美中不足的是需要外接满足特定要求的电容。FRAM器件种类齐全，特别是可以代替E2PROM和Flash的串行器件，但其操作速度不是最优，还有待提高。MRAM器件有显着的速度、容量、非易失、随机操作、体积、功耗优势，正在得到广泛应用。NVSRAM、FRAM、MRAM器件性价比很高，但是价格相对稍高些。

4 高速度大容量非易失随机存储器件选用

为嵌入式应用系统选择非易失随机存储器件的一般步骤如下：

①根据设计产品功能需求，考虑需求的器件接口是并行的还是串行SPI或I2